集合详解之 Map

集合详解之 Map + 面试题

集合有两个大接口：Collection 和 Map，本文重点来讲解集合中另一个常用的集合类型 Map。

以下是 Map 的继承关系图：

Map 简介

Map 常用的实现类如下：

• Hashtable：Java 早期提供的一个哈希表实现，它是线程安全的，不支持 null 键和值，因为它的性能不如 ConcurrentHashMap，所以很少被推荐使用。
• HashMap：最常用的哈希表实现，如果程序中没有多线程的需求，HashMap 是一个很好的选择，支持 null 键和值，如果在多线程中可用 ConcurrentHashMap 替代。
• TreeMap：基于红黑树的一种提供顺序访问的 Map，自身实现了 key 的自然排序，也可以指定 Comparator 来自定义排序。
• LinkedHashMap：HashMap 的一个子类，保存了记录的插入顺序，可在遍历时保持与插入一样的顺序。

Map 常用方法

常用方法包括：put、remove、get、size 等，所有方法如下图：

使用示例，请参考以下代码：

Map hashMap = new HashMap();
// 增加元素
hashMap.put("name", "老王");
hashMap.put("age", "30");
hashMap.put("sex", "你猜");
// 删除元素
hashMap.remove("age");
// 查找单个元素
System.out.println(hashMap.get("age"));
// 循环所有的 key
for (Object k : hashMap.keySet()) {
    System.out.println(k);
}
// 循环所有的值
for (Object v : hashMap.values()) {
    System.out.println(v);
}

以上为 HashMap 的使用示例，其他类的使用也是类似。

HashMap 数据结构

HashMap 底层的数据是数组被成为哈希桶，每个桶存放的是链表，链表中的每个节点，就是 HashMap 中的每个元素。在 JDK 8 当链表长度大于等于 8 时，就会转成红黑树的数据结构，以提升查询和插入的效率。

HashMap 数据结构，如下图：

1）添加方法：put(Object key, Object value)

执行流程如下：

• 对 key 进行 hash 操作，计算存储 index；
• 判断是否有哈希碰撞，如果没碰撞直接放到哈希桶里，如果有碰撞则以链表的形式存储；
• 判断已有元素的类型，决定是追加树还是追加链表，当链表大于等于 8 时，把链表转换成红黑树；
• 如果节点已经存在就替换旧值；
• 判断是否超过阀值，如果超过就要扩容。

源码及说明：

public V put(K key, V value) {
    // 对 key 进行 hash()
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
static final int hash(Object key) {
    int h;
  // 对 key 进行 hash() 的具体实现
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent, boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    // tab为空则创建
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    // 计算 index，并对 null 做处理
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        // 节点存在
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        // 该链为树
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        // 该链为链表
        else {
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        // 写入
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    ++modCount;
    // 超过load factor\*current capacity，resize
    if (++size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

put() 执行流程图如下：

* 首先比对首节点，如果首节点的 hash 值和 key 的 hash 值相同，并且首节点的键对象和 key 相同（地址相同或 equals 相等），则返回该节点；

• 如果首节点比对不相同、那么看看是否存在下一个节点，如果存在的话，可以继续比对，如果不存在就意味着 key 没有匹配的键值对。

源码及说明：

public V get(Object key) {
  Node<K,V> e;
  return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}
/\*\* \* 该方法是 Map.get 方法的具体实现 \* 接收两个参数 \* @param hash key 的 hash 值，根据 hash 值在节点数组中寻址，该 hash 值是通过 hash(key) 得到的 \* @param key key 对象，当存在 hash 碰撞时，要逐个比对是否相等 \* @return 查找到则返回键值对节点对象，否则返回 null \*/
final Node\<K,V\> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k; // 声明节点数组对象、链表的第一个节点对象、循环遍历时的当前节点对象、数组长度、节点的键对象
    // 节点数组赋值、数组长度赋值、通过位运算得到求模结果确定链表的首节点
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        if (first.hash == hash && // 首先比对首节点，如果首节点的 hash 值和 key 的 hash 值相同，并且首节点的键对象和 key 相同（地址相同或 equals 相等），则返回该节点
            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first; // 返回首节点

        // 如果首节点比对不相同、那么看看是否存在下一个节点，如果存在的话，可以继续比对，如果不存在就意味着 key 没有匹配的键值对
        if ((e = first.next) != null) {
            // 如果存在下一个节点 e，那么先看看这个首节点是否是个树节点
            if (first instanceof TreeNode)
                // 如果是首节点是树节点，那么遍历树来查找
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key); 

            // 如果首节点不是树节点，就说明还是个普通的链表，那么逐个遍历比对即可
            do {
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 比对时还是先看 hash 值是否相同、再看地址或 equals
                    return e; // 如果当前节点e的键对象和key相同，那么返回 e
            } while ((e = e.next) != null); // 看看是否还有下一个节点，如果有，继续下一轮比对，否则跳出循环
        }
    }
    return null; // 在比对完了应该比对的树节点 或者全部的链表节点 都没能匹配到 key，那么就返回 null

相关面试题

1.Map 常见实现类有哪些？

答：Map 的常见实现类如下列表：

• Hashtable：Java 早期提供的一个哈希表实现，它是线程安全的，不支持 null 键和值，因为它的性能不如 ConcurrentHashMap，所以很少被推荐使用；
• HashMap：最常用的哈希表实现，如果程序中没有多线程的需求，HashMap 是一个很好的选择，支持 null 键和值，如果在多线程中可用 ConcurrentHashMap 替代；
• TreeMap：基于红黑树的一种提供顺序访问的 Map，自身实现了 key 的自然排序，也可以指定的 Comparator 来自定义排序；
• LinkedHashMap：HashMap 的一个子类，保存了记录的插入顺序，可在遍历时保持与插入一样的顺序。

2.使用 HashMap 可能会遇到什么问题？如何避免？

答：HashMap 在并发场景中可能出现死循环的问题，这是因为 HashMap 在扩容的时候会对链表进行一次倒序处理，假设两个线程同时执行扩容操作，第一个线程正在执行 B→A 的时候，第二个线程又执行了 A→B ，这个时候就会出现 B→A→B 的问题，造成死循环。

解决的方法：升级 JDK 版本，在 JDK 8 之后扩容不会再进行倒序，因此死循环的问题得到了极大的改善，但这不是终极的方案，因为 HashMap 本来就不是用在多线程版本下的，如果是多线程可使用 ConcurrentHashMap 替代 HashMap。

3.以下说法正确的是？

A：Hashtable 和 HashMap 都是非线程安全的

B：ConcurrentHashMap 允许 null 作为 key

C：HashMap 允许 null 作为 key

D：Hashtable 允许 null 作为 key

答：C

题目解析：Hashtable 是线程安全的，ConcurrentHashMap 和 Hashtable 是不允许 null 作为键和值的。

4.TreeMap 怎么实现根据 value 值倒序？

答：使用 Collections.sort(list, new Comparator<Map.Entry<String, String>>() 自定义比较器实现，先把 TreeMap 转换为 ArrayList，在使用 Collections.sort() 根据 value 进行倒序，完整的实现代码如下。

TreeMap<String, String> treeMap = new TreeMap();
treeMap.put("dog", "dog");
treeMap.put("camel", "camel");
treeMap.put("cat", "cat");
treeMap.put("ant", "ant");
// map.entrySet() 转成 List
List<Map.Entry<String, String>> list = new ArrayList<>(treeMap.entrySet());
// 通过比较器实现比较排序
Collections.sort(list, new Comparator<Map.Entry<String, String>>() {
  public int compare(Map.Entry<String, String> m1, Map.Entry<String, String> m2) {
    return m2.getValue().compareTo(m1.getValue());
  }
});
// 打印结果
for (Map.Entry<String, String> item : list) {
  System.out.println(item.getKey() + ":" + item.getValue());
}

程序执行结果：

dog:dog
cat:cat
camel:camel
ant:ant

5.以下哪个 Set 实现了自动排序？

A：LinedHashSet

B：HashSet

C：TreeSet

D：AbstractSet

答：C

6.以下程序运行的结果是什么？

Hashtable hashtable = new Hashtable();
hashtable.put("table", null);
System.out.println(hashtable.get("table"));

答：程序执行报错：java.lang.NullPointerException。Hashtable 不允许 null 键和值。

7.HashMap 有哪些重要的参数？用途分别是什么？

答：HashMap 有两个重要的参数：容量（Capacity）和负载因子（LoadFactor）。

• 容量（Capacity）：是指 HashMap 中桶的数量，默认的初始值为 16。
• 负载因子（LoadFactor）：也被称为装载因子，LoadFactor 是用来判定 HashMap 是否扩容的依据，默认值为 0.75f，装载因子的计算公式 = HashMap 存放的 KV 总和（size）/ Capacity。

8.HashMap 和 Hashtable 有什么区别？

答：HashMap 和 Hashtable 区别如下：

• Hashtable 使用了 synchronized 关键字来保障线程安全，而 HashMap 是非线程安全的；
• HashMap 允许 K/V 都为 null，而 Hashtable K/V 都不允许 null；
• HashMap 继承自 AbstractMap 类；而 Hashtable 继承自 Dictionary 类。

9.什么是哈希冲突？

答：当输入两个不同值，根据同一散列函数计算出相同的散列值的现象，我们就把它叫做碰撞（哈希碰撞）。

10.有哪些方法可以解决哈希冲突？

答：哈希冲突的常用解决方案有以下 4 种。

• 开放定址法：当关键字的哈希地址 p=H（key）出现冲突时，以 p 为基础，产生另一个哈希地址 p1，如果 p1 仍然冲突，再以 p 为基础，产生另一个哈希地址 p2，循环此过程直到找出一个不冲突的哈希地址，将相应元素存入其中。
• 再哈希法：这种方法是同时构造多个不同的哈希函数，当哈希地址 Hi=RH1（key）发生冲突时，再计算 Hi=RH2（key），循环此过程直到找到一个不冲突的哈希地址，这种方法唯一的缺点就是增加了计算时间。
• 链地址法：这种方法的基本思想是将所有哈希地址为 i 的元素构成一个称为同义词链的单链表，并将单链表的头指针存在哈希表的第 i 个单元中，因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。链地址法适用于经常进行插入和删除的情况。
• 建立公共溢出区：将哈希表分为基本表和溢出表两部分，凡是和基本表发生冲突的元素，一律填入溢出表。

11.HashMap 使用哪种方法来解决哈希冲突（哈希碰撞）？

答：HashMap 使用链表和红黑树来解决哈希冲突，详见本文 put() 方法的执行过程。

12.HashMap 的扩容为什么是 2^n ？

答：这样做的目的是为了让散列更加均匀，从而减少哈希碰撞，以提供代码的执行效率。

13.有哈希冲突的情况下 HashMap 如何取值？

答：如果有哈希冲突，HashMap 会循环链表中的每项 key 进行 equals 对比，返回对应的元素。相关源码如下：

do {
    if (e.hash == hash &&
        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) // 比对时还是先看 hash 值是否相同、再看地址或 equals
        return e; // 如果当前节点 e 的键对象和 key 相同，那么返回 e
} while ((e = e.next) != null); // 看看是否还有下一个节点，如果有，继续下一轮比对，否则跳出循环

14.以下程序会输出什么结果？

class Person {
    private Integer age;
    public boolean equals(Object o) {
        if (o == null || !(o instanceof Person)) {
            return false;
        } else {
            return this.getAge().equals(((Person) o).getAge());
        }
    }
    public int hashCode() {
        return age.hashCode();
    }
    public Person(int age) {
        this.age = age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    public Integer getAge() {
        return age;
    }
    public static void main(String[] args) {
        HashMap<Person, Integer> hashMap = new HashMap<>();
        Person person = new Person(18);
        hashMap.put(person, 1);
        System.out.println(hashMap.get(new Person(18)));
    }
}

答：1

题目解析：因为 Person 重写了 equals 和 hashCode 方法，所有 person 对象和 new Person(18) 的键值相同，所以结果就是 1。

15.为什么重写 equals() 时一定要重写 hashCode()？

答：因为 Java 规定，如果两个对象 equals 比较相等（结果为 true），那么调用 hashCode 也必须相等。如果重写了 equals() 但没有重写 hashCode()，就会与规定相违背，比如以下代码（故意注释掉 hashCode 方法）：

class Person {
    private Integer age;
    public boolean equals(Object o) {
        if (o == null || !(o instanceof Person)) {
            return false;
        } else {
            return this.getAge().equals(((Person) o).getAge());
        }
    }
// public int hashCode() {
// return age.hashCode();
// }
    public Person(int age) {
        this.age = age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    public Integer getAge() {
        return age;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person(18);
        Person p2 = new Person(18);
        System.out.println(p1.equals(p2));
        System.out.println(p1.hashCode() + " : " + p2.hashCode());
    }
}

执行的结果：

true
21685669 : 2133927002

如果重写 hashCode() 之后，执行的结果是：

true
18 : 18

这样就符合了 Java 的规定，因此重写 equals() 时一定要重写 hashCode()。

16.HashMap 在 JDK 7 多线程中使用会导致什么问题？

答：HashMap 在 JDK 7 中会导致死循环的问题。因为在 JDK 7 中，多线程进行 HashMap 扩容时会导致链表的循环引用，这个时候使用 get() 获取元素时就会导致死循环，造成 CPU 100% 的情况。

17.HashMap 在 JDK 7 和 JDK 8 中有哪些不同？

答：HashMap 在 JDK 7 和 JDK 8 的主要区别如下。

• 存储结构：JDK 7 使用的是数组 + 链表；JDK 8 使用的是数组 + 链表 + 红黑树。
• 存放数据的规则：JDK 7 无冲突时，存放数组；冲突时，存放链表；JDK 8 在没有冲突的情况下直接存放数组，有冲突时，当链表长度小于 8 时，存放在单链表结构中，当链表长度大于 8 时，树化并存放至红黑树的数据结构中。
• 插入数据方式：JDK 7 使用的是头插法（先将原位置的数据移到后 1 位，再插入数据到该位置）；JDK 8 使用的是尾插法（直接插入到链表尾部/红黑树）。

总结

通过本文可以了解到：

• Map 的常用实现类 Hashtable 是 Java 早期的线程安全的哈希表实现；
• HashMap 是最常用的哈希表实现，但它是非线程安全的，可使用 ConcurrentHashMap 替代；
• TreeMap 是基于红黑树的一种提供顺序访问的哈希表实现；
• LinkedHashMap 是 HashMap 的一个子类，保存了记录的插入顺序，可在遍历时保持与插入一样的顺序。

HashMap 在 JDK 7 可能在扩容时会导致链表的循环引用而造成 CPU 100%，HashMap 在 JDK 8 时数据结构变更为：数组 + 链表 + 红黑树的存储方式，在没有冲突的情况下直接存放数组，有冲突，当链表长度小于 8 时，存放在单链表结构中，当链表长度大于 8 时，树化并存放至红黑树的数据结构中。

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